Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время на территории РФ широкое распространение получила малоэтажная жилая застройка (коттеджи, таунхаусы) пригородных районов, значительно отдаленных от центральных районов городов и поселков. В большинстве случаев в таких районах отсутствуют подведенные тепловые и газовые сети, недостаточны мощности электрических сетей, что заставляет применять современные энергоресурсосберегающие технологии для теплоснабжения зданий.
При строительстве жилья в районах со слаборазвитой инфраструктурой надежным современным источником тепловой энергии являются тепловые насосы (ТН), использующие теплоту возобновляемых природных источников (массив грунта, грунтовые воды, воды водоемов, наружный воздух и др.).
Существующие нормы и рекомендации по проектированию теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) для малоэтажной жилой застройки в РФ не учитывают особенностей климатических условий района, удельные тепловые нагрузки на систему, тарифы на энергоносители и т.д. Это сказывается на эффективности работы и вложении инвестиций в подобные системы.
Экономическая эффективность применения ТСТ определяется выбором источника теплоты, режимными (бивалентная температура, температура теплоносителя первичного и вторичного контуров) и технологическими характеристиками системы (объем аккумулирующих емкостей, мощности насосного оборудования, а также основного и пикового источников теплоты).
Таким образом, использование энергоресурсосберегающих технологий в теплоснабжении вызывает необходимость совершенствования систем теплоснабжения малоэтажных жилых зданий, использующих природные источники низкопотенциальной теплоты.
Цель работы – разработка научно-обоснованных решений по повышению эффективности работы системы теплоснабжения малоэтажных жилых зданий с использованием природных источников низкопотенциальной теплоты на основе совершенствования ее режимных и технологических характеристик.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
анализ зарубежного опыта проектирования ТСТ малоэтажных жилых зданий при использовании источников низкопотенциальной теплоты;
модернизация существующей схемы ТСТ;
разработка комплексных имитационных математических моделей ТСТ для различных вариантов использования теплоты: массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов;
натурные исследования влияния режимных характеристик на энергопотребление ТСТ, использующей теплоту массива грунта;
численные исследование влияния режимных характеристик на энергопотребление ТСТ при использовании теплоты массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов;
исследование влияния режимных характеристик на экономическую эффективность инвестиций в ТСТ при использовании теплоты массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов;
определение целесообразности применения ТСТ по сравнению с другими системами теплоснабжения.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные исследования и обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ и сертифицированных программ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, подтверждена сходимостью результатов численных и натурных экспериментальных исследований, удовлетворяющей требуемым критериям.
Научная новизна работы состоит в том, что:
разработаны комплексные имитационные математические модели ТСТ жилого здания, позволяющие спрогнозировать энергопотребление всей системой при использовании различных источников низкопотенциальной теплоты;
установлены зависимости, характеризующие энергопотребление ТСТ для вариантов использования низкопотенциальной теплоты массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов;
получены аналитические зависимости, позволяющие оценить экономическую эффективность инвестиций в ТСТ при использовании теплоты массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов.
Практическое значение работы:
разработана и экспериментально испытана модернизированная схема ТСТ, позволяющая снизить энергопотребление и повысить экономическую эффективность инвестиций в систему;
получены зависимости, позволяющие определить энергопотребление ТСТ при использовании различных источников низкопотенциальной теплоты;
предложены зависимости для оценки экономической эффективности ТСТ, позволяющие определить наиболее целесообразный вариант использования природного источника, а также рациональные режимные характеристики системы;
разработаны методика расчета и рекомендации по проектированию ТСТ с низкотемпературной системой напольного отопления для малоэтажных жилых зданий, учитывающие климатические особенности региона, варианты использования источников низкопотенциальной теплоты и критерии их экономической эффективности.
Реализация результатов работы:
рекомендации по проектированию ТСТ используются на предприятиях ЗАО «АСВ» и ОАО «ПЗСП», г. Пермь, при разработке проектной документации;
материалы диссертационной работы используются кафедрой теплогазоснабжения, вентиляции и охраны воздушного бассейна ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет» при подготовке инженеров по специальности 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция».
На защиту выносятся:
комплексные имитационные математические модели ТСТ, использующей теплоту массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов;
экспериментальные зависимости, характеризующие энергопотребление ТСТ, использующей различные источники теплоты: массив грунта, грунтовые воды и воды водоемов;
аналитические зависимости для определения основных критериев экономической эффективности инвестиций в ТСТ.
Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение: на научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов строительного факультета ПГТУ (Пермь, 2007- 2008); Всероссийской конференции с международным участием «Перспективы развития инноваций в энергоресурсосбережении» (Пермь, 2007); международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград, 2009); научно-практической конференции «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» (Пермь, 2009), международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (Москва, 2009).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 9 статьях, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы: 125 страниц машинописного текста, включая 34 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 133 наименований.
